니켈·코발트 없이도 성능 40% 향상된 리튬이온전지 양극 개발

KAIST 서동화팀·맥길대 등 연구

DRX 전극에 탄소나노튜브 활용

양극재 비율 96%까지 끌어올려

서동화 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 교수. 사진 제공=KAIST

국내 연구진이 전기자동차·스마트폰 등에 사용되는 리튬이온 전지에 니켈·코발트 등 고가 희귀 금속 없이 에너지밀도를 대폭 높인 신기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 서동화 신소재공학과 교수 연구팀이 울산과학기술원, 캐나다 맥길대와 공동 연구를 통해 에너지밀도가 40% 향상된 고성능 차세대 리튬이온 전지 양극을 개발했다고 1일 밝혔다. 리튬이온 전지의 원가 중 가장 높은 비율을 차지하는 니켈과 코발트를 포함하지 않고도 에너지밀도뿐 아니라 가격경쟁력까지 높였다.



공동 연구팀은 망간 기반의 양이온·무질서 암염(DRX) 양극재를 활용했다. DRX 양극재는 값싸고 매장량이 풍부한 망간·철 등을 사용할 수 있으면서 기존 삼원계 양극재(약 770Wh/㎏)보다 높은 에너지밀도(약 1000Wh/㎏)를 갖는다. 다만 망간 기반 DRX 양극재는 양극재 비율이 90% 이상인 까닭에 전지 성능이 낮고 급격하게 열화하는 문제가 있었다. 이로 인해 양극재 비율을 낮추면 삼원계보다 오히려 낮은 에너지밀도를 갖게 됐다.

공동 연구팀은 망간 기반 DRX 전극 제조 시 다중벽 탄소 나노 튜브를 사용해 DRX 양극재의 낮은 전자전도도를 보완함으로써 전극 내 양극재의 비율을 96%까지 끌어올려도 성능 저하가 나타나지 않는 기술을 개발했다. 전극 무게 기준 약 1050Wh/㎏의 에너지밀도는 리튬이온 전지 양극 중 세계 최고 수준이다.

서 교수는 “중국 의존도가 높은 니켈·코발트 광물이 필요 없는 차세대 양극 개발 시 자원 무기화에 대비할 수 있고 저가 2차전지 시장에서 우리 기업의 글로벌 경쟁력이 강화될 것으로 기대된다”고 말했다. 이번 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘에너지 및 환경과학’ 6월호 표지 논문으로 출판될 예정이다.